Les lasers utilisés pour atteindre des éclairements ultra-intense, dits relativistes, sont presque toujours des lasers amplifiés à très haute énergie, de l’ordre du Joule. De tels niveaux d’énergie contraignent les systèmes laser à fonctionner à des cadences relativement basses, de quelques Hz typiquement, afin de laisser l’installation se refroidir entre deux tirs laser. De plus, cette gamme d’énergie restreint les durées d’impulsions à quelques dizaines de femtosecondes au minimum. On pourrait appeler cela l’approche de la force brute : bien qu’elle permette de générer des intensités optiques particulièrement élevées, cette architecture reste cependant limitée en termes de résolution temporelle, de qualité spatiale de faisceau, de stabilité tir-à-tir et de productivité (de l’ordre de 1 tir par seconde seulement).

Le laser conçu par le groupe PCO, qui est au cœur de la « Salle Noire » du LOA, adopte une approche différente. Il ne produit que quelques millijoules par impulsion ce qui lui permet de fonctionner à une cadence bien plus élevée de 1 kHz, mais aussi de bénéficier d’un étage dit de « post-compression » ouvrant l’accès à des durées d’impulsion bien plus courtes, de quelques femtosecondes seulement.

A la suite d’une chaine d’amplification double-CPA, incluant un filtrage XPW pour le nettoyage du contraste temporel, l’étape de post-compression se base sur une longue fibre creuse étirée remplie d’hélium. L’interaction non-linéaire de l’impulsion avec le gaz produit des impulsions de 3.5 fs à 3.5 mJ d’énergie, avec une qualité de faisceau remarquable grâce au guidage du faisceau dans la fibre. Ainsi, l’énergie plus modeste de l’installation laser est compensée par une durée d’impulsion bien plus courte, offrant une puissance crête de l’ordre de 1 terawatt. La Salle Noire du LOA abrite le seul laser au monde offrant ce niveau de puissance avec des impulsions contenant moins de 2 cycles optiques. Son excellente qualité spatiale permet ensuite de focaliser son faisceau sur de très faibles dimensions pour en concentrer la puissance dans l’espace. Dans cette tache focale, de l’ordre de 2 μm de diamètre, l’éclairement atteint ainsi la valeur de 1 TW/(π.1 μm)² ~10¹⁹ W/cm² !